2014年03月04日08:55
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日本经济产业省即将启动开发世界最高水准的3D打印机的国家项目。日本政府在2014年的预算案中划拨了40亿日元，用以实施“以三维成型技术为核心的制造革命计划”。目前，该计划已经分成32亿日元上限的“新一代工业3D打印机技术开发”和以5.5亿日元为上限的“超精密三维成型系统技术开发”两个主题，并在公开招募开发委托单位。
前一个主题以可以成型金属材料的3D打印机（以下称：金属3D打印机）为对象，后一个以成型铸造模型的3D打印机（以下称：砂模用3D打印机）为对象。在此类3D打印机的领域，德国等欧美地区目前在装置的开发和应用两个方面都领先。日本经济产业省此举的目的，就是为了提高日本的竞争力。
金属3D打印机和砂模用3D打印机的开发项目除了连同控制程序在内的成型装置本身外，还包括新型粉末材料和实现后处理自动化的周边装置的开发。
电子束与激光束
金属3D打印机开发项目所考虑的金属粉末的烧结与熔融有两种方式，分别为电子束方式和激光束方式（图1）。这两种方式都把成型速度达到目前的10倍、产品精度达到目前的5倍作为最终目标，力争在项目结束后的2020年投入实用。
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图1：金属3D打印机的开发目标和技术课题 设想的两个方式分别是向金属粉末照射电子束和照射激光束。二者的最终目标都是使成型速度达到目前的10倍，使成型物的精度达到目前的5倍。 |
具体来说，两种方式1小时成型速度的最终目标均为500cc；成型物精度方面，电子束方式的最终目标为±50μm，激光束方式为±20μm。除此之外，最大成型尺寸达到1000×1000×600mm以上、装置售价控制在5000万日元以下也是两种方式共同的最终目标。
要达成目标，除了提高电子束和激光束的性能之外，还必须为两种方式开发适合各自的新型粉末材料。因此，该项目将同时开展金属粉末的微细化、缩小粒径分布，开发耐热性和耐腐蚀性优良的新合金和防锈等粉体修饰技术，提高品质并降低成本。
低成本快递制作砂模
砂模用3D打印机1小时的成型速度要达到10万cc（100L）以上，最终目标是使成型的铸模的制造成本降低到1000日元/kg以下。以中小企业等为对象推动其实现广泛普及，力争使装置的售价降低到2000万日元以下。项目期限为4年（图2）。
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图2：砂模用3D打印机的开发目标与技术课题 通过提高成型尺寸和成型速度提升生产效率，同时降低装置的价格，借此提升铸模的成本竞争力。 |
砂模用3D打印机开发项目在2013年度曾经开展过。项目的名称也是“超精密三维成型系统技术开发”，成型速度的最终目标（10万cc/h以上）也与本次一致。但2013年度的砂模打印机开发项目的预算规模的上限仅为1.5亿日元，此次的预算规模增加到了上次的近4倍。
与金属3D打印机一样，对于砂模用3D打印机，粉末材料的开发也是一大重点。按照计划，打印机将采用喷嘴喷射粘合剂，利用粘合剂硬化人工砂粉末的方法，除此之外，还要开发可以用于铸造高熔点金属的人工砂和粘合剂、设法控制对铸造流程存在影响的崩坏性，并找出能混合沉积不同砂子的方法。
还要顾及知识产权
日本经济产业省之所以推行上述开发项目，是出于“新一代3D打印机投入实用并商业化有利于国家利益”的考虑，项目产生的知识产权原则上归属参与者。因此，在开展项目时，要先行进行专利调查，以避免专利纠纷。
除了日本国内和日本企业，通过项目达到实用水平的3D打印机还将面向全球市场提供。因此，在开发之时，还要遵循ISO（国际标准化组织）和ASTM等国际标准。
开发项目计划于2年后（2015年度末）实施中期评估。通过制作试制机等方式，评估打印机能否达成图1和图2中的中期目标。（作者：中山 力，日经技术在线！供稿）
